Leben findet einen Weg (auch auf M-Zwergen?)

Titel: The High-Energy Radiation Environment Around a 10 Gyr M Dwarf: Habitable at Last?

Autoren: Kevin France, Girish Duvvuri, Hilary Egan, et al.

Erste Institution des Autors: University of Colorado, Boulder

Status: Veröffentlicht auf arXiv (open access); Angenommen bei AJ (closed access)

Es gibt viele Sterne da draußen im Universum, und ein großer Teil davon sind M-Zwerge. Das sind die kleinsten und rötesten Sterne, die in der Reihenfolge der Spektraltypen (O, B, A, F, G, K, und zu guter Letzt: M) an letzter Stelle stehen. Bonus: Da sie so klein und lichtschwach sind, ist es tatsächlich einfacher, kleinere, irdische Planeten um sie herum zu finden! Da sie so zahlreich sind und wir eine gute Chance haben, in ihre bewohnbaren Zonen zu schauen, macht es Sinn, dass wir darüber nachdenken, wie das Leben auf einem Planeten um einen M-Zwerg aussehen würde.

Aber es gibt einen Haken. M-Zwerge sind auch dafür bekannt, sehr aktive Sterne zu sein, die aufflackern und eine Menge ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlen abgeben, die schlechte Nachrichten für biologisches Leben sind. Diese stellare Aktivität ist so stark, dass sie die Atmosphäre entweichen lässt und diese Gesteinsplaneten ihrer Atmosphären beraubt, die für die Bewohnbarkeit entscheidend sind. Extrem ultraviolettes Licht (bekannt als EUV oder XUV) ist besonders gut geeignet, um eine Atmosphäre abzustreifen, und junge M-Zwerge geben mehr davon ab, da sie sich länger in ihrer Entwicklungsphase vor der Hauptreihe befinden. Der Beginn des Lebens dieser Sterne ist also extrem und ruiniert die Chancen auf einen bewohnbaren Planeten. Was ist mit älteren M-Zwergen? Planeten in der Nähe von M-Zwergen könnten eine „zweite Atmosphäre“ haben, die durch Gase entsteht, die durch Einschläge oder Vulkane freigesetzt werden. Werden sie mit zunehmendem Alter milder, so dass die Strahlung nachlässt und diese sekundäre Atmosphäre lange genug bestehen bleiben kann, um Leben zu ermöglichen?

Die heutige Arbeit versucht, diese Fragen zu beantworten, indem sie einen nahe gelegenen alten M-Zwerg auf seine UV- und Röntgenaktivität hin beobachtet und dann berechnet, was mit der Atmosphäre eines erdähnlichen Planeten in seiner bewohnbaren Zone passieren würde.

Die Suche nach den Atmosphären-Killern

Die Autoren nutzten das Hubble-Weltraumteleskop (für UV-Beobachtungen) und das Chandra-Röntgenobservatorium, um Barnards Stern, einen nahen alten M-Stern, zu beobachten. Barnard’s Star ist nur etwa 6 Lichtjahre entfernt und damit einer unserer nächsten Nachbarn im All. Er ist nur 16 % so groß wie die Sonne, aber etwa doppelt so alt. Es ist auch bekannt, dass er eine kalte (ca. -300°F!) Super-Erde beherbergt, die etwa dreimal so groß wie unser Planet ist und mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurde.

Die durchschnittliche UV-Leuchtkraft von Barnards Stern gehört zu den niedrigsten, die jemals für einen M-Zwerg gemessen wurden, aber er strahlt immer noch mehr XUV als die Sonne aus, wie in Abbildung 1 gezeigt. Es wurde auch ein schwacher (aber nicht null) Röntgenfluss gemessen, der ebenfalls zu den niedrigsten gehört, die bei einem M-Zwerg beobachtet wurden. Barnards Stern flackerte immer noch genauso häufig wie jüngere M-Zwerge, aber die Flares auf dem älteren Stern waren von geringerer Intensität (aber immer noch intensiver als ein Stern wie unsere Sonne!). Ein weiteres atmosphärenschädigendes Ereignis ist der CME, oder „koronaler Massenauswurf“, der hochenergetische Teilchen aus dem Stern freisetzt; die Autoren fanden heraus, dass diese Ereignisse ähnliche Energien wie Sonneneruptionen haben, aber viel häufiger sind. Allerdings gibt es hier einen Vorbehalt: Es wird angenommen, dass M-Zwerge stärkere Magnetfelder haben, die CMEs davon abhalten könnten, sich weit vom Stern zu entfernen und Planeten zu treffen, so dass es eine gewisse Unsicherheit bezüglich der hier diskutierten Wirkung von CMEs auf eine Atmosphäre gibt.

Das Urteil über die Atmosphäre

Nun, da wir ein wenig mehr über die Umgebung eines alten M-Zwergs wissen, was würde mit der Atmosphäre eines Planeten passieren? Die Autoren schätzten das atmosphärische Entweichen eines hypothetischen erdähnlichen Planeten in der bewohnbaren Zone von Barnards Stern, der auf die beobachtete hochenergetische Strahlung trifft.

Um sicherzugehen, dass ihre Modelle Sinn machen, testeten sie sie zunächst am System Sonne/Erde, um zu sehen, ob sie reproduzieren können, was wir in unserem eigenen Sonnensystem beobachten. Dann gingen sie dazu über, das thermische und ionische Entweichen aus unserem hypothetischen Planeten zu untersuchen. Thermisches Entweichen geschieht, wenn die Teilchen heiß genug sind und sich daher schnell genug bewegen, um die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten zu überschreiten. Um Barnards Stern herum würde unser hypothetischer Planet seine Atmosphäre in etwa 11 Millionen Jahren verlieren. Oder man kann es sich so vorstellen, dass er in einer Milliarde Jahren das 87-fache der Erdatmosphäre verliert (zum Vergleich: Die Erde ist über 4 Milliarden Jahre alt!).

Sie betrachteten auch die Ionenflucht, die eigentlich die Hauptursache dafür ist, dass die Erde ihre Atmosphäre verliert. Dies ist etwas komplizierter, da es ein Plasma-Interaktionsmodell erfordert. Ihre Simulationen zeigten, dass Barnards Stern in einem normalen, ruhigen (nicht flackernden) Zustand die Atmosphärenflucht im Vergleich zur Erde nur geringfügig erhöht. Wenn jedoch ein Flare auftritt, kommt es zu einem viel größeren Atmosphärenverlust, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Eine Sache, die zu beachten ist, ist, dass der hypothetische Planet hier nicht magnetisiert ist; Magnetismus könnte einen Unterschied machen, wie es auf der Erde der Fall ist, und einige dieser hochenergetischen Partikel abschirmen. Die wichtigste Erkenntnis ist jedoch, dass der atmosphärische Verlust um alte M-Zwerge von den Flare-Perioden dominiert wird.

Kann Leben einen Weg finden?

Flares könnten tatsächlich auf eine andere Weise einen positiven Effekt auf das Leben haben. Andere Arbeiten haben gezeigt, dass Nah-UV-Photonen (NUV) die Bildung von Vorläufermolekülen der RNA vorantreiben könnten; Barnards Stern hat in seinem ruhigen Zustand etwas weniger NUV-Strahlung, als dafür nötig ist, aber das Flaring könnte ausreichen, um diese präbiotischen Wege zu unterstützen. Da wir jetzt wissen, dass Fackeln ein Problem für die Erhaltung einer Atmosphäre sein könnten, sollten wir unsere Suche nach bewohnbaren Planeten weiter vom Stern entfernt ausdehnen; es besteht die Möglichkeit einer „erweiterten bewohnbaren Zone“ weiter vom Stern entfernt, wo die Strahlung weniger extrem ist!

Obwohl sie weniger aktiv sind, hat diese Arbeit gezeigt, dass sogar alte M-Zwerge eine Menge Atmosphäre verlieren können, insbesondere durch Fackeln. Wir müssen noch mehr über die Flare-Zyklen lernen, denn das scheint ein Schlüsselparameter für die Atmosphärenerhaltung und die Bewohnbarkeit von M-Zwergen zu sein!